超融合架构在传统数据中心中的集成方法的研究与实现

李琼 王丽凤 王铧栋 苏涛凤

摘 要：針对小型移动化船载数据中心，传统的计算、存储、网络硬件设备架构占地空间大，管理运维困难，设备之间无法做到统一资源调度，且对海量数据无法高效处理，需构建一套计算、存储系统。本文主要对传统数据中心设计过程中存在的业务挑战进行简要概述，并对超融合架构进行详细分析，发挥超融合架构的具体作用，深入研究超融合架构技术在传统数据中心设计中的具体应用，采用超融合架构方案将计算虚拟化、存储虚拟化、网络虚拟化和安全虚拟化等前沿技术融为一体，并通过统一的可视化管理平台，帮助船载数据中心业务实现资源整合、业务动态扩展、数据融合、安全管控等。

关键字：数据中心;超融合;虚拟化

1 引言

为保证航船功能的完备与工作状态的稳定，船载记录设备需要对船航行中产生的语音、图像和其他关键数据进行采集和记录，而船载数据中心是实现数据集中处理、存储、传输、交换等管理的中心场所，主要包含机房基础环境、IT基础设施、业务系统等。在构建船载数据中心时，企业一般专注于保障应用能够稳定、安全和可靠运行，却往往忽视业务扩展、资源利用率、能源消耗、简化管理、业务持续性和灾难恢复等问题。

因此，实现计算、存储、网络、安全与统一管理的软硬件一体化超融合架构的呼声就越来越高，采用全新的架构，用软件定义数据中心、存储和网络，将会使得硬件配置更简单、管理更容易、效率更高、投入更低。

2 超融合架构

超融合基础架构（Hyperconvergence Infrastructure， 简称HCI），是指在同一套单元设备（如X86服务器）中不仅仅具备计算、网络、存储和服务器虚拟化等资源和技术，而且还包括缓存加速、重复数据删除、在线数据压缩、备份软件、快照技术等元素，而多节点可以通过网络聚合起来，实现模块化的无缝横向扩展，形成统一的资源池。

如图1所示，超融合架构中最根本的变化是存储，由原先的集中共享式存储（SAN/NAS）变为软件定义存储。利用软件定义的方式将互连的X86服务器的本地硬盘（SSD和HDD）形成存储资源池，组建分布式存储架构，在此基础上实现了企业级的数据服务（如：弹性副本、快照、容灾等）供上层虚拟化平台使用。

3 传统数据中心建设中遇到的挑战

传统船载数据中心所采用的基础架构，是一个包含孤立存储、X86或小型机服务器、网络、高可用软件和管理软件的复杂系统架构。由于传统数据中心的架构制约，这种存储孤岛式的船载数据中心弊端也随之产生，目前正受到严重的挑战，具体表现在以下几个方面：

1）成本昂贵

构建传统数据中心需要分别购买计算、存储、网络设备，需要大量机架空间与电力设备，同时需要根据不同业务需求增加管理人员，总体成本高昂。

2）资源利用率低

传统数据中心服务器资源固化，无法将计算、存储资源统一调度、按需分配和资源共享，导致服务器资源利用率较低。

3）安全风险

传统数据中心，数据备份不便捷，数据存储存在单点故障风险，用户操作难以审计，系统软硬件故障无法及时上报。

4）管理复杂

传统数据中心需要很多集成商和不同硬件厂商提供技术服务团队。包括需要不同的存储、技术和网络团队负责采购、扩充和对设备的支持，维护生产系统，和不同的厂商打交道。随着时间推移，设备新旧混杂，升级、扩容、故障排除繁琐导致运维成本增加。

4 总体技术架构

在数据中心建设中，采用超融合架构技术将CPU、内存、I/O等物理资源抽象并转化为一组逻辑资源，用户可根据需求实现资源的动态分配和回收。同时提供计算、存储、网络、运维及安全等功能，可以帮助用户实现信息化资源优化整合、资源弹性分配、规模动态伸缩、存储安全可靠、资源统一管理、加速业务上线、降低管理成本等，超融合架构在数据中心的集成实现方案如图2所示。

5 超融合架构在数据中心的具体应用

5.1 大数据分析平台

目前大部分企业都在考虑部署大数据分析平台，对于存储的空间扩充和数据管理将是非常大的挑战。超融合架构具备横向扩展的特性，针对海量数据存储应用，可以实现大规模通用集群存储。超融合架构存储系统通过网络技术将大量基本X86存储单元整合起来协同工作，对外提供统一数据存储服务。另外，超融合架构设备厂商还会针对大数据环境进行了性能优化，并采用了副本、集群等大量容错技术，各项技术性能指标完全可以达到主流中高端存储阵列水平，替代传统集中式的存储设备。

5.2 虚拟化计算

在虚拟化应用方面，包括存储、备份、复制、负载均衡在内所有策略的制定，都会围绕支持虚拟机进行。例如数据保护策略，传统SAN常使用第三方工具来定义，而超融合架构就将其集成在虚拟机层。不同数据中心之间或不同应用间（备份、复制等）进行负载迁移，管理员只要在虚拟机层操作即可，无需亲自到数据中心或底层存储去操作。

在虚拟桌面应用方面，由于各种应用部署在单一的共享资源池里，可以不需要担心存储系统I/O影响虚拟机性能。此外，超融合架构的大容量分布式存储环境为系统灵活掌控随机和顺序负载提供可能。而且采用SSD加速的分布式存储集群可以保障足够的IOPS应对VDI启动和登入风暴等严峻的负载挑战。

5.3 数据库服务

说到高性能应用，数据库类应用对系统资源的占用一般是最高的。在传统的架构中，针对ORACLE这类应用都会采用物理机设备。但是一般的X86物理机单台性能最高为8颗CPU，在业务高峰期无法满足高性能需求，在业务低峰期又会造成资源浪费。而且这类系统对集中式存储的依赖性也很高，因为ORACLE数据往往要求强一致性。为了在超融合架构下使用这类应用，一般会在超融合架构存储中增加分布式锁机制等的功能，在软件定义存储系统的最底层位置，维护多数据副本间的强一致性，结合随机写日志化和数据智能分层等先进的数据读写过程，不仅可以提供给ORACLE高负载的数据库应用性能，还让数据库应用兼具了超融合架构的横向数据扩展能力。

6 超融合架构的优势

1）建造精简机房

超融合虚拟化平台提供便捷、灵活、可扩展的超融合基础实施。设备数量少、占用空间小、易于维护、机动性强，功耗也相对较少。

2）易于统一管理

对外提供可视化统一管理平台，方便用户管理所有软硬件资源，系统提供丰富易懂的运维功能，方便用户进行管理、跟踪及故障恢复等。

3）资源利用率高

将物理节点的计算、存储、网络等资源整合并统一管理分配，实现资源按需分配，并根据实时业务需求进行动态扩容。

4）安全可靠

采用分布式架构，集群无单点故障。同时，系统采用网络端口聚合、集群高可用、故障自愈等技术保障业务稳定可靠。

7 总结

本文从船载传统数据中心建设过程中面临的实际问题出发，引出对现阶段数据中心建设的思考，提出了超融合架构在传统数据中心建设中的集成方法。相较于传统数据中心架构而言，超融合架构解决了“信息孤岛”和横向扩展问题，并极大程度地简便了运维。深入了解超融合架构技术的优势，并将各项优势集成到传统数据中心的设计和建设中，有利于更好地提升数据中心建设效果。

参考文献：

[1] 董华丰.超融合基础架构浅析[J].中国新通信，2019（03）：84.

[2] 姚万鹏.云计算技术在计算机网络安全存储中的应用[J].电脑知识与技术，2020，16（36）：56.

[3] 艾如鹏.基于Openstack的超融合平台的研究与实现[D].华南理工大学，2017.

作者简介：李琼，1989.10，男，汉族，安徽桐城，硕士，工程师，研究方向：计算机系统集成